树莓派如何控制蜂鸣器演奏乐曲

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　　步进电机以及无源蜂鸣器这些都需要脉冲信号才能够驱动，这里将用GPIO的PWM接口驱动无源蜂鸣器弹奏乐曲，本文基于树莓派Mode B+，其他版本树莓派实现时需参照相关资料进行修改！
　　1 预备知识
　　1.1 无源蜂鸣器和有源蜂鸣器
　　无源蜂鸣器：内部没有震荡源，直流信号无法让它鸣叫。必须用去震荡的电流驱动它，2K-5KHZ的方波PWM （Pulse Width Modulation脉冲宽度调制）。5KHZ的电流方波就是每秒震动5K次，每一个完整的周期占用200us的时间，高点平占一部分时间，低电平占一部分时间。声音频率可控，可以做出不同的音效。
　　有源蜂鸣器：内部带震荡电路，一通电就鸣叫，所以可以跟前面LED一样，给个高电平就能响，编程比无源的更方便。
　　本文利用无源蜂鸣器弹奏乐曲，用的就是淘宝上普通的电磁式阻抗16欧交流/2KHz 3V 5V 12V通用无源蜂鸣器，如果手边没有无源蜂鸣器，用普通的耳机也可以来代替无源蜂鸣器。
　　1.2 PWM
　　PWM（Pulse Width Modulation）即脉冲宽度调制，是一种利用微处理器的数字输出来控制模拟电路的控制技术。可以用下面的一幅图来形象地说明PWM：
　　
　　图中tpwm就是一个周期的时间长度。对于2KHz频率来说，那么周期就是1s/2K=500us。图中的D叫做占空比，指的是高电平的时间占用整个周期时间的百分比。第一个周期D=50%，那么就是高电平低电平的时间各占一半。接下来的D为33%，那就是通电时间为33%，剩余的不通电时间占用67%。树莓派Model B+有4个PIN脚支持PWM输出，如下图最右侧：
　　
　　但是，需要注意的是BCM2835芯片只支持两路PWM输出，所以以上12 Pin脚和32 Pin脚对应的都是channel 1的PWM输出，即如果这两个Pin的功能都选择的是PWM输出，则它们输出的PWM是完全相同的，同理33 Pin脚和35 Pin脚对应芯片channel 2的PWM输出。
　　博通公司公布的BCM2835芯片资料BCM2835 ARM Peripherals中第9章比较详细的介绍了PWM相关内容，此外还可参考网上整理好的寄存器介绍资料rpi-registers，通过阅读可以得知树莓派Model B+支持两种模式的PWM输出：一种是Balanced mode（平衡模式），一种是Mark-Space mode（MS模式）。另外树莓派的PWM输出基础频率是19.2MHz，PWM输出频率受这个基础频率的限制。
　　1.3 树莓派PWM分析
　　进行分析前先看一下实验的物理电路连接：
　　
　　
　　图中，红色杜邦线一头连接树莓派的32 Pin脚（PWM0），一头连接示波器的探针；绿色杜邦线一头连接树莓派的12 Pin脚（PWM0），一头连接无源蜂鸣器的正极；黄色杜邦线一头连接树莓派的6 Pin脚（ground），一头连接无源蜂鸣器的负极，此外示波器探针的ground也连接到黄色杜邦线，结合bcm2835 C library来进行分析：
　　#下载bcm2835库
　　wget http://www.airspayce.com/mikem/bcm2835/bcm2835-1.50.tar.gz
　　#解压
　　tar -zxvf bcm2835-1.50.tar.gz
　　#进入目录
　　cd bcm2835-1.35
　　#编译
　　。/configure && make
　　#安装
　　sudo make install
　　修改examples/pwm/pwm.c的内容如下：
　　
　　63// pwm.c
　　//
　　// Example program for bcm2835 library
　　// Shows how to use PWM to control GPIO pins
　　//
　　// After installing bcm2835， you can build this
　　// with something like：
　　// gcc -o pwm pwm.c -l bcm2835
　　// sudo 。/pwm
　　//
　　// Or you can test it before installing with：
　　// gcc -o pwm -I 。./。./src 。./。./src/bcm2835.c pwm.c
　　// sudo 。/pwm
　　//
　　// Author： Mike McCauley
　　// Copyright （C） 2013 Mike McCauley
　　// $Id： RF22.h，v 1.21 2012/05/30 01:51:25 mikem Exp $
　　#include 《bcm2835.h》
　　#include 《stdio.h》
　　// PWM output on RPi Plug P1 pin 12 （which is GPIO pin 18）
　　// in alt fun 5.
　　// Note that this is the _only_ PWM pin available on the RPi IO headers
　　#define PIN RPI_GPIO_P1_12
　　// and it is controlled by PWM channel 0
　　#define PWM_CHANNEL 0
　　// This controls the max range of the PWM signal
　　#define RANGE 1024
　　#define PIN2 RPI_BPLUS_GPIO_J8_32
　　int main（int argc， char **argv）
　　{
　　if （！bcm2835_init（））
　　return 1;
　　// Set the output pin to Alt Fun 5， to allow PWM channel 0 to be output there
　　bcm2835_gpio_fsel（PIN， BCM2835_GPIO_FSEL_ALT5）;
　　bcm2835_gpio_fsel（PIN2， BCM2835_GPIO_FSEL_ALT0）; // 打开PI 32 Pin脚的PWM0输出功能
　　// Clock divider is set to 16.
　　// With a divider of 16 and a RANGE of 1024， in MARKSPACE mode，
　　// the pulse repetition frequency will be
　　// 1.2MHz/1024 = 1171.875Hz， suitable for driving a DC motor with PWM
　　bcm2835_pwm_set_clock（BCM2835_PWM_CLOCK_DIVIDER_16）;
　　bcm2835_pwm_set_mode（PWM_CHANNEL， 0， 1）;
　　bcm2835_pwm_set_range（PWM_CHANNEL， RANGE）;
　　printf（“this is banlance mode， anykey will change to markspace moden”）;
　　bcm2835_pwm_set_data（PWM_CHANNEL， RANGE/4）;
　　getchar（）;
　　printf（“change to markspace mode， anykey to exitn”）;
　　bcm2835_pwm_set_mode（PWM_CHANNEL， 1， 1）;
　　bcm2835_pwm_set_range（PWM_CHANNEL， RANGE）;
　　bcm2835_pwm_set_data（PWM_CHANNEL， RANGE/4）;
　　getchar（）;
　　bcm2835_close（）;
　　return 0;
　　}
　　代码中首先设置PWM输出为平衡模式，之后按任意键切换为MS模式，编译：gcc -o pwm pwm.c -lbcm2835，运行：sudo 。/pwm，示波器分别捕获到如下波形图：
　　
　　
　　代码第47行用divider=16对19.2MHz的基础频率进行调整，调整后的pwm频率为19.2MHz/16=1.2MHz，根据BCM2835芯片资料及代码49行和52行内容可知占空比应为N/M=（RANGE/4）/RANGE=256/1024，平衡模式力求任意一段时间占空比都最接近N/M=1/4，即把256个高电平时钟周期平均的分配到1024个之中周期中，可以这样进行处理，每4个时钟周期为一组，其中的一个周期内为高电平，这样即可实现“平衡”，这时真实的PWM输出帧率为1.2MHz/4=300KHz，如以上左图所示；对于MarkSpace模式来说，占空比为M/S=（RANGE/4）/RANGE=256/1024，这种模式不需要进行平衡，即可以认为1024个时钟周期的前256个为高电平，其余的为低电平，这时真实的PWM输出帧率为1.2MHz/1024=1171.875Hz，如以上右图所示。
　　2 树莓派播放音乐
　　2.1 乐理知识
　　一首乐曲有若干音符组成，每个音符由音调和演奏时间组成。不同的音调在物理上就对应不同频率的音波。所以我们只要控制输出的频率和时长就能输出一首音乐了。当然实际的音乐很复杂，又有连接，还有重音什么的，这个就先不在讨论范围内了。
　　每个音符都会播放一定的时间，这样就能构成一首歌曲。在音乐上，音符节奏分为1拍、1/2拍、1/4拍、1/8拍，假设一拍音符的时间为1；半拍为0.5；1/4拍为0.25；1/8拍为0.125……，所以我们可以为每个音符赋予这样的拍子播放出来，音乐就成了。
　　Arduino官方网站给出了不同音符对应的不同频率的头文件pitches.h，相关内容可以参考博文，在本文我们把pitches.h文件直接应用到树莓派，该文件内容如下：
　　
　　92/*************************************************
　　* Public Constants
　　*************************************************/
　　#define NOTE_B0 31
　　#define NOTE_C1 33
　　#define NOTE_CS1 35
　　#define NOTE_D1 37
　　#define NOTE_DS1 39
　　#define NOTE_E1 41
　　#define NOTE_F1 44
　　#define NOTE_FS1 46
　　#define NOTE_G1 49
　　#define NOTE_GS1 52
　　#define NOTE_A1 55
　　#define NOTE_AS1 58
　　#define NOTE_B1 62
　　#define NOTE_C2 65
　　#define NOTE_CS2 69
　　#define NOTE_D2 73
　　#define NOTE_DS2 78
　　#define NOTE_E2 82
　　#define NOTE_F2 87
　　#define NOTE_FS2 93
　　#define NOTE_G2 98
　　#define NOTE_GS2 104
　　#define NOTE_A2 110
　　#define NOTE_AS2 117
　　#define NOTE_B2 123
　　#define NOTE_C3 131
　　#define NOTE_CS3 139
　　#define NOTE_D3 147
　　#define NOTE_DS3 156
　　#define NOTE_E3 165
　　#define NOTE_F3 175
　　#define NOTE_FS3 185
　　#define NOTE_G3 196
　　#define NOTE_GS3 208
　　#define NOTE_A3 220
　　#define NOTE_AS3 233
　　#define NOTE_B3 247
　　#define NOTE_C4 262
　　#define NOTE_CS4 277
　　#define NOTE_D4 294
　　#define NOTE_DS4 311
　　#define NOTE_E4 330
　　#define NOTE_F4 349
　　#define NOTE_FS4 370
　　#define NOTE_G4 392
　　#define NOTE_GS4 415
　　#define NOTE_A4 440
　　#define NOTE_AS4 466
　　#define NOTE_B4 494
　　#define NOTE_C5 523
　　#define NOTE_CS5 554
　　#define NOTE_D5 587
　　#define NOTE_DS5 622
　　#define NOTE_E5 659
　　#define NOTE_F5 698
　　#define NOTE_FS5 740
　　#define NOTE_G5 784
　　#define NOTE_GS5 831
　　#define NOTE_A5 880
　　#define NOTE_AS5 932
　　#define NOTE_B5 988
　　#define NOTE_C6 1047
　　#define NOTE_CS6 1109
　　#define NOTE_D6 1175
　　#define NOTE_DS6 1245
　　#define NOTE_E6 1319
　　#define NOTE_F6 1397
　　#define NOTE_FS6 1480
　　#define NOTE_G6 1568
　　#define NOTE_GS6 1661
　　#define NOTE_A6 1760
　　#define NOTE_AS6 1865
　　#define NOTE_B6 1976
　　#define NOTE_C7 2093
　　#define NOTE_CS7 2217
　　#define NOTE_D7 2349
　　#define NOTE_DS7 2489
　　#define NOTE_E7 2637
　　#define NOTE_F7 2794
　　#define NOTE_FS7 2960
　　#define NOTE_G7 3136
　　#define NOTE_GS7 3322
　　#define NOTE_A7 3520
　　#define NOTE_AS7 3729
　　#define NOTE_B7 3951
　　#define NOTE_C8 4186
　　#define NOTE_CS8 4435
　　#define NOTE_D8 4699
　　#define NOTE_DS8 4978
　　可以看到，这是一张类似表格的东西，里面是定义的大量的宏，即用宏名代替了频率名，对应到键盘的各个按键上。我们需要对应相应的音符到宏名上，为了实现这个首先看看钢琴大谱表与钢琴琴键的对照表：
　　
　　为了将个音符的音名直观的看出来，给出以下表格：
　　
　　2.2 播放音乐
　　对照以上表格及射雕英雄传主题曲铁血丹心简谱实现树莓派播放，铁血丹心简谱如下：
　　
　　上面的简谱中缺少前奏，程序中增加了从其他版本中摘录的前奏部分，主程序tiexuedanxin.c代码如下：
　　1
　　2
　　3
　　4
　　5
　　6
　　7
　　8
　　9
　　10
　　11
　　12
　　13
　　14
　　15
　　16
　　17
　　18
　　19
　　20
　　21
　　22
　　23
　　24
　　25
　　26
　　27
　　28
　　29
　　30
　　31
　　32
　　33
　　34
　　35
　　36
　　37
　　38
　　39
　　40
　　41
　　42
　　43
　　44
　　45
　　46
　　47
　　48
　　49
　　50
　　51
　　52
　　53
　　54
　　55
　　56
　　57
　　58
　　59
　　60
　　61
　　62
　　63
　　64
　　65
　　66
　　67
　　68
　　69
　　70
　　71
　　72
　　73
　　74
　　75
　　76
　　77
　　78
　　79
　　80
　　81
　　82
　　83
　　84
　　85
　　86
　　87
　　88
　　89
　　90
　　91
　　92
　　93
　　94
　　95
　　96
　　97
　　98
　　99
　　100
　　101
　　102
　　103
　　104
　　105
　　106
　　107
　　108
　　109
　　110
　　111
　　112
　　113
　　114
　　115
　　116
　　117
　　118
　　119
　　120
　　121
　　122
　　123
　　124
　　125
　　126
　　127
　　128
　　129
　　130
　　131
　　132
　　133
　　134
　　135
　　136
　　137
　　138
　　139
　　140
　　141
　　142
　　143
　　144
　　145
　　146
　　147
　　148
　　149
　　150
　　151
　　152
　　153
　　154
　　155
　　156
　　157
　　158
　　159
　　160
　　161
　　162
　　163
　　164
　　165
　　166
　　167
　　168
　　169
　　170
　　171
　　172
　　173
　　174
　　175
　　176
　　177
　　178
　　179
　　180
　　181
　　182
　　183
　　184
　　185
　　186
　　187
　　188
　　189
　　190
　　191
　　192
　　193
　　194
　　195
　　196
　　197
　　198
　　199
　　200
　　201
　　202
　　203
　　204
　　205
　　206
　　207
　　208
　　209
　　210
　　211
　　212
　　213
　　214
　　215
　　216
　　217
　　218
　　219
　　220
　　221
　　222
　　223
　　224
　　225
　　226
　　227
　　228
　　229
　　230
　　231
　　232
　　233
　　234
　　235
　　236
　　237
　　238
　　239
　　240#include 《stdio.h》
　　#include 《stdlib.h》
　　#include 《stdint.h》
　　#include 《bcm2835.h》
　　#include “pitches.h”
　　#define PWM_CHANNEL 0
　　typedef struct _TONE{
　　int freq;
　　int t_ms;
　　} TONE，*PTONE;
　　int pin = RPI_GPIO_P1_12;
　　int baseFreq = 600000; // BCM2835_PWM_CLOCK_DIVIDER_32 对应600KHz
　　typedef struct _melodyNode{
　　int note;
　　float fDuration;
　　}melodyNode;
　　melodyNode melody［］= {
　　// 1
　　{NOTE_A4， 1.5}， // 6
　　{NOTE_G4， 0.5}， // 5
　　{NOTE_A4， 1}， // 6
　　{NOTE_G4， 0.5}， // 5
　　{NOTE_E4， 0.5}， // 3
　　// 2
　　{NOTE_G4， 1}， // 5
　　{NOTE_D4， 3}， // 2
　　// 3
　　{NOTE_C4， 1.5}， // 1
　　{NOTE_A3， 0.5}， // .6
　　{NOTE_D4， 0.5}， // 2
　　{NOTE_E4， 0.5}， // 3
　　{NOTE_G4， 0.5}， // 5
　　{NOTE_F4， 0.5}， // 4
　　// 4
　　{NOTE_E4， 3}， // 3
　　{NOTE_E4， 0.5}， // 3
　　{NOTE_G4， 0.5}， // 5
　　// 5
　　{NOTE_A4， 1.5}， // 6
　　{NOTE_G4， 0.5}， // 5
　　{NOTE_A4， 1}， // 6
　　{NOTE_G4， 0.5}， // 5
　　{NOTE_E4， 0.5}， // 5
　　// 6
　　{NOTE_G4， 1}， // 5
　　{NOTE_D4， 3}， // 2
　　// 7
　　{NOTE_C4， 1.5}， // 1
　　{NOTE_A3， 0.5}， // .6
　　{NOTE_D4， 0.5}， // 2
　　{NOTE_E4， 0.5}， // 3
　　{NOTE_G3， 0.5}， // .5
　　{NOTE_B3， 0.5}， // .7
　　// 8
　　{NOTE_A3， 4}， // .6
　　{0， 1}， // 0
　　{NOTE_E4， 0.5}， // 3
　　{NOTE_D4， 0.5}， // 2
　　{NOTE_C4， 1.5}， // 1
　　{NOTE_B3， 0.5}， // .7
　　//
　　{NOTE_A3， 1.5}， // .6
　　{NOTE_E3， 0.5}， // .3
　　{NOTE_A3， 2}， // .6
　　//{NOTE_A3， 1}， // .6
　　{NOTE_A4， 0.5}， // 6
　　{NOTE_G4， 0.5}， // 5
　　{NOTE_E4， 1}， // 3
　　{NOTE_G4， 0.5}， // 5
　　{NOTE_D4， 0.5}， // 2
　　{NOTE_E4， 3}， // 3
　　{NOTE_E4， 0.5}， // 3
　　{NOTE_D4， 0.5}， // 2
　　{NOTE_C4， 1.5}， // 1
　　{NOTE_B3， 0.5}， // .7
　　{NOTE_A3， 1.5}， // .6
　　{NOTE_E3， 0.5}， // .6
　　{NOTE_A3， 2}， // .6
　　{0， 1}， // 0
　　{NOTE_D4， 0.5}， // 2
　　{NOTE_C4， 0.5}， // 1
　　{NOTE_A3， 1}， // .6
　　{NOTE_C4， 0.5}， // 1
　　{NOTE_D4， 0.5}， // 1
　　{NOTE_E4， 3}， // 3*/
　　{NOTE_E4， 1}， // 3 逐草四方
　　{NOTE_A4， 1.5}， // 6
　　{NOTE_G4， 0.5}， // 5
　　{NOTE_A4， 1}， // 6
　　{NOTE_G4， 0.5}， // 5
　　{NOTE_E4， 0.5}， // 3
　　{NOTE_G4， 1}， // 5
　　{NOTE_D4， 3}， // 2
　　{NOTE_C4， 1.5}， // 1
　　{NOTE_A3， 0.5}， // .6
　　{NOTE_D4， 0.5}， // 2
　　{NOTE_E4， 0.5}， // 3
　　{NOTE_G4， 0.5}， // 5
　　{NOTE_FS4， 0.5}， // #4
　　{NOTE_E4， 3}， // 3
　　{NOTE_E4， 0.5}， // 3
　　{NOTE_G4， 0.5}， // 5
　　{NOTE_A4， 1.5}， // 6
　　{NOTE_G4， 0.5}， // 5
　　{NOTE_A4， 1.0}， // 6
　　{NOTE_G4， 0.5}， // 5
　　{NOTE_E4， 0.5}， // 3
　　{NOTE_G4， 1.0}， // 5
　　{NOTE_D4， 3}， // 2
　　{NOTE_C4， 1.5}， // 1
　　{NOTE_A3， 0.5}， // .6
　　{NOTE_D4， 0.5}， // 2
　　{NOTE_E4， 0.5}， // 3
　　{NOTE_G3， 0.5}， // .5
　　{NOTE_B3， 0.5}， // .7
　　{NOTE_A3， 3}， // .6
　　{0， 1}， // 0
　　{NOTE_E4， 0.5}， // 3 应知爱意似
　　{NOTE_D4， 0.5}， // 2
　　{NOTE_C4， 1.0}， // 1
　　{NOTE_C4， 0.5}， // 1
　　{NOTE_B3， 0.5}， // .7
　　{NOTE_A3， 1.5}， // .6
　　{NOTE_E3， 0.5}， // .3
　　{NOTE_A3， 2.0}， // .6
　　{0， 1}， // 0
　　{NOTE_A3， 0.5}， // .6
　　{NOTE_G3， 0.5}， // .5
　　{NOTE_E3， 1.0}， // .3
　　{NOTE_G3， 0.5}， // .5
　　{NOTE_D3， 0.5}， // .2
　　{NOTE_E3， 3.0}， // .3
　　{0， 1}， // 0
　　{NOTE_E4， 0.5}， // 3 身经百劫也
　　{NOTE_D4， 0.5}， // 2
　　{NOTE_C4， 1.0}， // 1
　　{NOTE_C4， 0.5}， // 1
　　{NOTE_B3， 0.5}， // .7
　　{NOTE_A3， 1.5}， // .6
　　{NOTE_E4， 0.5}， // 3
　　{NOTE_D4， 2.0}， // 2
　　{0， 1}， // 0
　　{NOTE_D4， 0.5}， // 2
　　{NOTE_C4， 0.5}， // 1
　　{NOTE_A3， 1.0}， // .6
　　{NOTE_B3， 0.5}， // .7
　　{NOTE_G3， 0.5}， // .5
　　{NOTE_A3， 3.0}， // .6
　　};
　　void beep（int freq， int t_ms）
　　{
　　int range;
　　/*if（freq《2000||freq》5000）
　　{
　　printf（“invalid freqn”）;
　　return;
　　}*/
　　if（freq == 0）
　　range=1;
　　else
　　range=baseFreq/freq;
　　printf（“will call bcm2835_pwm_set_range freq： %d range： %dn”， freq， range）;
　　bcm2835_pwm_set_range（PWM_CHANNEL， range）;
　　bcm2835_pwm_set_data（PWM_CHANNEL， range/2）;
　　if（t_ms》0）
　　{
　　delay（t_ms）;
　　}
　　}
　　void init（）
　　{
　　if （！bcm2835_init（））
　　exit （1） ;
　　printf（“will init pin %dn”， pin）;
　　// Set the output pin to Alt Fun 5， to allow PWM channel 0 to be output there
　　bcm2835_gpio_fsel（pin， BCM2835_GPIO_FSEL_ALT5）;
　　bcm2835_pwm_set_clock（BCM2835_PWM_CLOCK_DIVIDER_32）;
　　bcm2835_pwm_set_mode（PWM_CHANNEL， 1， 1）;
　　}
　　int main （void）
　　{
　　int index=0;
　　int nLen = sizeof（melody）/sizeof（melody［0］）;
　　init（）;
　　for （ ; index《nLen; index++）
　　{
　　int noteDuration = 600*melody［index］.fDuration;
　　beep（melody［index］.note， noteDuration）;
　　printf（“will call bcm2835_pwm_set_data 0 after beepn”）;
　　bcm2835_pwm_set_data（PWM_CHANNEL， 0）;
　　printf（“index： %d nLen： %d@@@@@@@@@@@@n”， index， nLen）;
　　//delay（100）;
　　}
　　bcm2835_pwm_set_data（PWM_CHANNEL， 0）;
　　bcm2835_close（）;
　　return 0 ;
　　}
　　注意代码中195行做了特殊处理，这时候频率并不是为0，只是让树莓派不再发声。

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树莓派如何控制蜂鸣器演奏乐曲

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